Question

DMA、Cache其具体工作原理是？

Answer 1

Cache被用作CPU针对内存的缓存，利用程序的空间局部性和时间局部性原理，达到较高的命中率，从而避免CPU每次都必须要与相对慢速的内存交互数据来提高数据的访问速率。DMA可以作为内存与外设之间传输数据的方式，在这种传输方式之下，数据并不需要经过CPU中转。假设DMA针对内存的目的地址与Cache缓存的对象没有重叠区域，DMA和Cache之间将相安无事。
但是，如果DMA的目的地址与Cache所缓存的内存地址访问有重叠，经过DMA操作，与Cache缓存对应的内存中的数据已经被修改，而CPU本身并不知道，它仍然认为Cache中的数据就是内存中的数据，那在以后访问Cache映射的内存时，它仍然使用陈旧的Cache数据。这样就会发生Cache与内存之间数据“不一致性”的错误。所谓Cache数据与内存数据的不一致性，是指在采用Cache的系统中，同样一个数据可能既存在于Cache中，也存在于主存中，Cache与主存中的数据一样则具有一致性，数据若不一样则具有不一致性。需要特别注意的是，Cache与内存的一致性问题经常被初学者遗忘。在发生Cache与内存不一致性错误后，驱动将无法正常运行。如果没有相关的背景知识，工程师几乎无法定位错误的原因，因为这时所有的程序看起来都是完全正确的。Cache的不一致性问题并不是只发生在DMA的情况下，实际上，它还存在于Cache使能和关闭的时刻。例如，对于带MMU功能的ARM处理器，在开启MMU之前，需要先置Cache无效，对于TLB，也是如此。

Answer 2

Cache和DMA本身似乎是两个毫不相关的事物。Cache被用作CPU针对内存的缓存，利用程序的空间局部性和时间局部性原理，达到较高的命中率，从而避免CPU每次都必须要与相对慢速的内存交互数据来提高数据的访问速率。DMA可以作为内存与外设之间传输数据的方式，在这种传输方式之下，数据并不需要经过CPU中转。假设DMA针对内存的目的地址与Cache缓存的对象没有重叠区域，DMA和Cache之间将相安无事。但是，如果DMA的目的地址与Cache所缓存的内存地址访问有重叠，经过DMA操作，与Cache缓存对应的内存中的数据已经被修改，而CPU本身并不知道，它仍然认为Cache中的数据就是内存中的数据，那在以后访问Cache映射的内存时，它仍然使用陈旧的Cache数据。这样就会发生Cache与内存之间数据“不一致性”的错误。所谓Cache数据与内存数据的不一致性，是指在采用Cache的系统中，同样一个数据可能既存在于Cache中，也存在于主存中，Cache与主存中的数据一样则具有一致性，数据若不一样则具有不一致性。需要特别注意的是，Cache与内存的一致性问题经常被初学者遗忘。在发生Cache与内存不一致性错误后，驱动将无法正常运行。如果没有相关的背景知识，工程师几乎无法定位错误的原因，因为这时所有的程序看起来都是完全正确的。Cache的不一致性问题并不是只发生在DMA的情况下，实际上，它还存在于Cache使能和关闭的时刻。